JP3678749B2

JP3678749B2 - Optical image projection system for particle beams, especially ions

Info

Publication number: JP3678749B2
Application number: JP51872795A
Authority: JP
Inventors: ゲルハルトシュテンクル; アルフレットチャルプカ; ヘルベルトフォナハ
Original assignee: アイエムエスイオネンマイクロファブルカティオンズシステメゲーエムベーハー
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: US5801388A; EP0739531A1; JPH09511090A; DE59502762D1; WO1995019637A1; EP0739531B1

Description

リソグラフィー工程は、半導体素子を生産するためになされなければならない種々の工程の中でもとりわけ重要である。簡単に言えば、各々のリソグラフィー工程は、フォトレジスト、または短く「レジスト」と呼ばれる感光（あるいは粒子ビームに感じる）材料の薄いシートを、特にシリコン製のウエーハ上に付けることから始まる。その後、リソグラフィー装置が、レジストが設けられたウエーハ上に、一つまたはいくつかの透明なスポットの形のマスク上に存在する構造を投影する。そこでは、適切な光学素子がマスクとウエーハとの間に配置される。ウエーハ上のマスクの投影構造の拡大はほとんどウエーハよりもかなり小さい。この投影工程の後、このウエーハはその位置を変えられ、同一構造のマスクがウエーハ上の異なる個所に投影される。この投影および移動のプロセスは、ウエーハの全表面がなされるまで何度も繰り返される。次にレジストを現像することによって、たとえば、レジストがない部分が形作られたの所望のサンプルがウエーハ上に得られる。このウエーハは、さらなる工程において、エッチング、イオン注入あるいは印加、およびドーピング物質の拡散などの公知のどの処理でも受けることができる。このウエーハは、これらのさらなる工程の後にチェックされ、レジストで再度コーテイングされ、最終的にチェス盤状の配列の同一のマイクロサーキットがウエーハ上に形成されるまで、前述の連続する全工程がほぼ１０〜２０回繰り返される。
今日用いられているほとんどのプロジェクション・リソグラフィー法はレジストを照射するために光を採用しているが、マイクロサーキットの構成要素のより小さな構造への要求およびより高い密度への要求は強く、これが、比較的長い波長の光を採用する解決方法における場合のように限定されない他の照射方法を見いだすための探索をするよう導いている。リソグラフィー装置にＸ線ビームを用いるための大きな努力が払われてきた。一方、たとえば粒子ビーム、特にイオンビームリソグラフィーなどの他の方法は、実際にはある程度、しかしほんの少ししか検討されてこなかった。
マスクとウエーハとの間に設けられた少なくとも２つの集束レンズによって、１つまたは複数の穴の形にマスク上に配置した構造の像をウエーハ上に形成するための粒子源、特にイオン源を持つ、好ましくはリソグラフィーの目的のための粒子ビームの、特にイオンの光学像投影システムについては、ヨーロッパ特許出願９３８９００５８．６に次のような設計のものがすでに提案されている。すなわち、２つのチューブ電極とこれらの電極の間に配置された第３の電極とからなる、いわゆる３極格子（グレイテイング）レンズなどの少なくとも１つの集束レンズが設けられている。前記第３の電極は、複数の穴を持つ板（プレート）、好ましくは格子（グレイテイング）として設計されており、このプレート、とりわけ格子は光軸に垂直に配置され、その結果、このプレート、すなわち格子によって、レンズが２つの領域に分けられている。ここで、前記３つの電極には異なる電圧が供給されることが好ましい。中央の電極として格子を持つ３極格子レンズのレンズ領域の１つは正の屈折力を持つことができ、また、第２のレンズ領域は負の屈折力を持つことができる。ここで、負の屈折力（分散領域）を持つレンズ領域の屈折力の絶対値は正の屈折力（集束領域）を持つレンズ領域の屈折力のそれよりも低い。この種の光学像投影システムの場合において、もし、分散領域における３次の像のデイストーション（歪曲）が集束領域のそれより大きいならば、屈折力の絶対量の違いにもかかわらず、像のデイストーション係数をかなりの程度まで補正することができる。
このように、３極格子レンズを使用することによって、各々の場合において、１つの像のデイストーション係数をレンズの像の方程式から消失させることが可能となる。ここで、残存する像のデイストーション係数もまた、たとえばヨーロッパ特許出願ＥＰ−８９１０９５５３、ＥＰ−９２８９０１６５、ＥＰ−９２８０１８１から知られている静電レンズと比較して小さな値であると仮定している。これはプレート電極あるいはむしろ格子電極を導入することによって達成される。このタイプの電極は静電発散レンズを作ることを可能にするからである。これに加えて、３極格子レンズを有するイオン光学リソグラフィーシステムにおいては、結果として生じるデイストーションを最小のデイストーション位置で減少することもできる。中央の電極として格子を持つ３極レンズを使用すれば、もしも、デイストーションの値が同一の画像フィールドサイズに関係するのであれば、さらに、公知のシステムに関してマスクとウエーハの距離を減少することができる。結局、この投影システムの鮮明度は実質的に増加する。なぜなら、中央電極として格子を持つ３電極レンズは各々の場合に、極めて小さな像のデイストーションしか持たず、したがって、レンズがウエーハとマスクとの間に位置する場合には、像のデイストーションの補正はさほど重大なものではない。
発散および収束レンズの順序が逆になれば、すなわち、もしも、たとえば格子として設計された電極が発散する２極格子レンズの第１の電極を形成し、たとえば収束レンズガフィールドレンズの形でその後に続くのであれば、本質的に、この効果は達成される。用語、「フィールドレンズ」あるいは「イマージョン（液浸）レンズ」は、このケースにおいては、異なる電位に配置されている２つの同軸の、循環的に対称的な電極（たとえば管状電極）の配置にあてはまる。
もしも、一方で、格子の孔およびそれらの間隔がきわめて小さく（マイクロメータのオーダーで）なるように維持され、イオンビームによる照射領域における格子の両側での場の強さが可能な限り同じであれば、プレートの孔によって、あるいはむしろ格子の孔によって生じる干渉を避けることができる。
格子を用いるときの問題は、微細な孔および水平部分のために、格子がきわめて薄く、さらに比較的広い領域をカバーしなければならず、したがって、損傷に対してきわめて敏感であり、その結果、その製造プロセスに関しても、レンズの使用期間中においても一定の監視が必要となる。この目的のためには、格子がこの機械から除去され、洗浄され再度正しい位置に取り付けられなければならない。このそれぞれの際に、その脆さのために損傷を受け、破壊される危険がある。
したがって、本発明の目的はこの問題を回避することである。この目的に対し、本発明は、粒子ビームの、特にイオンの光学像投影システム、好ましくはリソグラフィーの目的のためのシステムを提案するものである。このシステムは、粒子源、特に、マスク箔上に１または複数の透明なスポット、とりわけ孔の形で設けられた構造の像を、ウエーハの前のビーム方向に配置された少なくとも２つの静電レンズを介してウエーハ上に形成するためのイオン源を有する。ここで、前記レンズの少なくとも一方は、１つまたは２つのチューブ電極と、孔を有しビームの光路上に配置されたプレートとによって形成されたいわゆる格子レンズである。プレートは光軸に対して垂直に配置されており、本発明によれば、プレートは、格子レンズの中間電極またはビーム方向に見られるように、第１の電極を形成するマスク箔により形成される。各々の場合において、イオンビームの方向に見られるような後に続く電極とともにマスクは、３次元の像のデイストーションが後続の集束レンズによって最小の残留値に補正されるような発散レンズを形成する。
公知の設計の格子をマスクと置き換えることによって、設けられている要素の１つだけ、すなわち、マスク自身に、その製造中あるいは使用中に最大の精度が要求される。他のすべての実施例の場合においても、同じように高い精度で製造されるべきであるが、同様に高い精度で製造されるべき他の要素については省略される。また、これら第２の要素を適切でないものとするような欠陥の発生が防止される。
本発明の他の実施例において、マスクが３極格子レンズの中間電極の代わりとなっているイオン光学像投影システムは、他の像形成要素として、フィールドレンズあるいは非対称単（シングル）レンズの形での集束レンズを有する。この場合の非対称シングルレンズは、すべての電極が異なる電位となるように設けられた３極レンズであることが理解される。非対称シングルレンズは、等価の像投影特性を持つ発散レンズと較べかなり小さな像のデイストーションを持っているために、用いられている。
その中間電極が現在マスクであるような３極格子レンズにおいて、第１の領域は実際上マスクのための照射レンズに相当し、また、第２の領域は、そのデイストーションがビームの光路上にある後続のレンズによりかなり大きな程度まで補正される発散レンズ（負の屈折力）に相当する。
さらに他の実施例において、マスクは２極格子レンズの第１の電極を形成する。このレンズから、ビーム光路にフィールドレンズ、その後、非対称単レンズが続く。この場合、ウエーハの前の最後のレンズの像デイストーションは、マスクを有する発散レンズのデイストーションによって、および後続のレンズによって補正される。
公知の設計（ヨーロッパ特許出願９３８９００５８．６）において格子が置かれている場所に、今、マスクが置かれているという事実によって、格子面は、対物面となっている。マスクの孔は、公知の設計における格子の孔の役割をはたすため、有孔電極レンズ（アパーチャーレンズ）を形成する。しかしながら、マスクは今、像形成の対象物であり、像平面に像が形成されるであろうため、光学の法則によれば、１つの対象ポイントから出射するすべての粒子が１つの像形成ポイントに収束するから、マスクの孔から出る粒子の角度の小さな変化については、結像の際の効果においてかなりの程度まで無視することができる。
本発明によるこの種の設計のさらに他の実施例において、マスクは、２極格子レンズの第１の電極を形成し、ビームの交差するポイント（「クロスオーバー」）がウエーハの前の最後のレンズ前面の、すなわち、フィールドレンズと非対称単レンズとの間の、ビーム方向の電場のない空間に置かれている。さらに本発明の他の実施例においては、いわゆる確率論的空間電荷効果（下記参照）が最小となるよう充分高いエネルギーにイオンを加速するようなフィールドレンズを設けることができる。非対称シングルレンズにおいて、イオンのエネルギーは、必要であればウエーハの位置で要求されるエネルギーに減少させることができる。
以下、本発明を、例示の方法により、図面に基づいて詳細に説明する。
図１ａは、交差点（クロスオーバー・ポイント）を持ち、デイストーションの補正を持つ本発明による第１の実施例のイオン・リソグラフィーシステムの構造およびビーム光路の簡略化した側面図であり、
図１ｂは、クロスオーバー・ポイントのない第１実施例の同様の図であり、
図２は、デイストーションの補正を持つ第２の実施例のイオン・リソグラフィーシステムを示し、
図３ａおよび３ｂは、色欠陥の補正を持つ図１ａおよび１ｂおよび図２に示されているタイプのイオン・リソグラフィーシステムを同様に示し、
図４は、３つの電極を有し中央電極がマスクによって形成されているレンズの軸上の長さ方向の断面図であり、
図５は、同様に、図４に示されているような収束レンズと、ウエーハ前面に配置されたフィールドレンズの形のもう１つのレンズとの組み合わせの軸上の長さ方向の断面図であり、
図６は、マスクが格子電極を形成する２極格子レンズを有するイオンプロジェクション装置の簡略化された軸上の長さ方向の部分断面図であり、
図７は、図６による配置についての、色解像力のデイストーションの進行とウエーハ位置に依存するデイストーションとを示しており、
図８は、ウエーハ前面に補正レンズを有する、図１ｂのそれと同様の図であり、
図１（ａおよびｂ）によれば、イオン光学像投影システムは、マスクＭ上に設けられた構造の像をウエーハＷ上に形成するためのイオン源Ｑを有している。この構造はマスクＭに少なくとも１つの孔があることによって存在する。第１実施例において、図４および図５により詳細に示されているチューブ電極Ｒ１，Ｒ２としての２つの電極が設けられ、これらのチューブ電極Ｒ１，Ｒ２の間に配置された第３の電極がマスクＭにより形成されている。マスクＭはこの像形成システムの光軸に対し垂直に配置されており、レンズを２つの領域ＰおよびＮに分割している。異なる電位Ｕ１，Ｕ２およびＵ３がこの３つの電極、すなわち、２つのチューブ電極Ｒ１，Ｒ２およびマスクＭにより形成される電極に与えられている。図面中において、所望のビームが１によって示されており、実際のビームが２によって示されている。
記載された例において、レンズ領域Ｐは正の屈折力を有し、レンズ領域Ｎは負の屈折力を有している。しかしながら、３極レンズＧ３の全屈折力が正となるように、負の屈折力を有するレンズ領域Ｎの屈折力の絶対量は正の屈折力を有するレンズ領域Ｐの屈折力よりも小さくなっている。
さらに、図４および図５より、負の屈折力を有するレンズ領域Ｎのチューブ電極Ｒ２が正の屈折力を有するレンズ領域Ｐのチューブ電極Ｒ１のマスクに対向する部分よりも小さな直径（ほぼ半分のサイズ）を有することは明らかである。負の屈折力を有するレンズ領域Ｎの電極間の電圧比（Ｕ３−Ｕ０）／（Ｕ２−Ｕ０）は、同じように、正の屈折力を有するレンズ領域Ｐの電極間の電圧比（Ｕ３−Ｕ０）／（Ｕ１−Ｕ０）より小さい（ほぼ３分の１）。ここで、Ｕ０は採用される荷電粒子の運動エネルギーがゼロとなる位置のポテンシャルである。
マスクＭの両側で、イオン線ビームによって照射される各領域について可能なかぎり同一の場の強さを与えるために、真剣な努力がなされた。
格子としてのマスクを有する３極格子レンズにおいて、第１の領域は実際上マスクのための照射レンズに相当し、第２の領域はデイストーションが後続の集束レンズＬ２によってかなりの程度補正される発散レンズ（負の屈折力）に相当する。公知の設計（ヨーロッパ特許出願９３８９００５８．６）において格子が配置されている位置にマスクが配置されている事実によって、格子面は今、対物面（オブジェクト・プレーン）となっている。マスクにおける孔は、実際上、格子の孔を形作る。ここで、このマスクの孔は格子の孔の有孔電極レンズと同一の効果を持つ。しかしながら、すでに述べたように、マスクＭはオプチカル・カラムに像形成されるべき対象物である。ここで、対象物は像面に像形成される。光学の法則によれば、マスクの孔から出射する粒子の角度の小さな変化は、１つの対物ポイントから出射するすべての粒子が１つの像形成ポイントに収束するから、像を形成する際の効果においてかなりの程度まで無視することができる。
この説明は第２のレンズＬ２の設計を非対称シングルレンズとして、およびフィールドレンズとしての両方に適用できる。
箔（たとえば、シリコン製の）に形成された孔の形の、像形成されるべき構造を有するマスクは、きわめて小さな仮想的線源サイズ（ほぼ１０μm）のイオン源とこれに続く照明装置によって照明される。この照明装置は２つの多極とこの２つの多極の間に配置された質量分離器とを有することができ、ここではダイアグノシス（分析）システムが用いられている。第１実施例における前記マスクは、全体に正の屈折力を有し３つの電極Ｒ１，Ｒ２，ＭからなるレンズＧ３の外側の電極間に配置されている。
特別な実施例（図１ａ）において、レンズＧ３は交差領域（クロスオーバー）Ｃ、すなわち、その像側焦点背後にイオン源の実像を作りだす。ウエーハＷの前に配置された第２の集束レンズＬ２の物体側焦点は、ほぼクロスオーバーＣの位置に配置される。このようにして、すべてのビームは軸にほぼ平行に集束レンズＬ２を通り、ほぼテレセントリックな像形成システムが得られる。これは、ウエーハＷのずれが小さい場合に、像形成のスケールがイオン光軸方向に変化しないという利点がある。
他の実施例（図１ｂ）において、この配置の場合には、マスクの像をクロスオーバーなしに作ることができる。縮小した象を形成する場合には、テレセントリシテイは失われる。これにおいて、きわめて小さな角度（ほぼ６ミリラジアン）がウエーハのところで可能である。テレセントリックシステムを回復するために、本発明により、集束レンズＷＬをウエーハＷの前に直接設けることができる（図８）。この手段によって、ビームは軸にほぼ平行な状態でウエーハに衝突する。本発明によれば、この集束レンズは、単一のほぼチューブ状の電極がウエーハの前に直接配置され、それと較べて少し異なる電位を持つように形成することができる。この電極は、ウエーハとともに、プレート、すなわちウエーハ自身を電極として有し、したがって発散レンズとして機能する、いわゆるウエーハレンズを形成する。これは、イオンがウエーハへの途中で減速されるように、ウエーハの前に置かれた電極の電位が設定されている場合である。格子を持つ３極レンズの具体的な設計において、チューブ電極Ｒ１，Ｒ２の対向する端部間の距離は１３５ｍｍに達する。マスクＭとして形成された電極は、チューブ電極Ｒ１の出口から９０ｍｍの距離のところに配置されている。ここで、この出口の直径は６００ｍｍに達し、チューブ電極Ｒ２の入口の直径は３００ｍｍに達する。チューブ電極Ｒ２の出口はマスクＭとして形成された電極から６７５ｍｍ離れており、チューブ電極Ｒ１の入口は中央電極を形成するマスクの前の１３５０ｍｍのところに設けられている。マスクＭに対向するこの出口から５８５ｍｍの距離のところでは、チューブ電極Ｒ１の内径は６００から３００ｍｍに減少している。
図６に示されている変形の場合において、マスクＭは発散格子レンズＧ２の第１の電極を形成している。その後に収束レンズＬ１が続き、ビームの光路のウエーハ面の前に設けられ、非対称シングルレンズとして形成される第２の収束レンズＬ２がさらに続いている。レンズの最後の電極の電位は、続いているレンズの第１の電極のそれと常に同じであるため、これら２つの電極は、図６にも示されているように、各々の場合に物理的に単一電極として形成することができる。したがって、マスクとウエーハ間の全イオン光学的カラムを単一の「マルチ電極レンズ」と、この場合には、異なる屈折領域、すなわちＧ２，Ｌ１およびＬ２を有する５極レンズとみなすことができる。適切なこととしては、たとえば、線源とウエーハとの間の距離を減少するために、マスクの前に照明レンズ（図６には示されていないレンズなど）を設けることもできる。
マスクＭが中間電極を形成する前述の３極レンズに対し、図６に示されているような配置の場合には、マスクの前および後ろの場の強さが異なっており、その結果、ミニレンズ効果（フライズアイズレンズ効果）がマスクの孔に起因して起こる。しかしながら、第２の電極に対向するマスク面での電場の強さがきわめて低いために、また、像形成される対象物がマスクであるが故に、このミニレンズの効果は無視できるほど小さい。電場の中で箔が動くことによって生じるに違いない作用により、マスクＭに生じるすべての振動を避けるために、場の強さは低いことが望ましい。これは、マスクＭを直ちに取り替え、セットすることを可能にする。図６に示されている配置は、マスク孔の像を２ミリラジアンより良いテレセントリック性を持ってウエーハＷの面上に投じることを可能にする。この高いテレセントリック性はウエーハＷの面上にほぼ１０μmの鮮明度を生じる。したがって、この実施例において、ウエーハが光軸における位置を変えたときでも、像形成のスケールおよび解像度が維持されるだけでなく、特にデイストーションを小さく維持することもできる。
図６に示されている概念の場合において、イオンビームがマスク・フィールド（広がり）のエッジの位置で、１．５°より小さな角度で６０x６０mm²のマスク構造・フィールド（広がり）に衝突する。３°のバイアスを持つ３μmの厚さのシリコン箔にマスクの孔を形成することができる。このようにして、マスクエッジに起因して生じる影のデイストーションなしに、３μmの厚さのマスク用箔に、たとえば０．４５μmの孔幅を持つライン状の格子を達成することができる。ウエーハＷとマスクＭとの間の距離はたとえば２１７１．５１ｍｍであり、最大径は１１８０ｍｍである。
本発明による装置は、実施例のそれにかかわりなく以下の特性を持つ。
ａ）この配置がクロスオーバーを持つ場合、レイ・ビームは一般に、マスクに続き、および／あるいはマスクを含む収束レンズＧ３Ｎ（図１）およびＧ２およびＬ１（図２）によって、糸巻き（クッション）型の残存デイストーション（領域Ａ）を経験する。クッション型の残存デイストーションはクロスオーバーの後、変化し、たる型の残存デイストーション（領域Ｂ）になる。
図１ａおよび２は、ウエーハＷの前に配置された収束レンズＬ２のデイストーション効果によって、ビームは、たる型のデイストーションの領域Ｂを減少させ、このたる型のデイストーションの領域に隣接するクッション型のデイストーションの領域Ａ’を作り出す付加的な偏りを生じる。図１ｂを参照すれば、クロスオーバーのない配置の場合において、収束レンズＧ３Ｎによって生じるクッション型のデイストーションはレンズＬ２によって減少し、最終的にたる型のデイストーション（領域Ｂ）になる。
１つの面が、ウエーハＷの前に配置された集束レンズＬ２の後に形成される。この面において、マスクとウエーハの間に置かれたレンズによって生じたデイストーションは補正される（最小デイストーション面）。しかしながら、これは３次のデイストーションについてのみ適用され、５次および６次のオーダーのより小さなデイストーションは残る。その結果、デイストーションは完全にはなくならず、重要ではあるが最小に保たれるだけである。ウエーハレンズＷＬを用いれば（下記参照）、デイストーションをさらに小さくすることに寄与することができる。
図６に提案されている実施例におけるウエーハ位置の、所望の位置に対するビーム方向の偏りによる残存デイストーションの依存性は、実際上、ヨーロッパ特許出願９３８９００５８．６に提案されている装置におけるのと同じように増加して進行する。ここで、マスクの像を形成するために２つの３極格子レンズが用いられる（図７）。また、デイストーションの最小値は前述の応用例の場合よりも小さい。これは、高いテレセントリック性とともに、ほぼ１０μmの鮮明度をもたらす。この鮮明度は、従来の光の光学要素を用いる像形成方法により得られる鮮明度よりも実質的に良い。たとえば、０．２μm構造のものの製造中に高エネルギーの紫外光（「深紫外線」）を用いるフォトリソグラフィーの場合においては、鮮明度は同様に、たかだか数１０μmの範囲内にある。このような低い鮮明度で集積回路を作り得るためには、光の光学要素を用いる場合において、ウエーハの表面を水平にすることが必要であり、このリソグラフィーは最上層（「最上表面への像形成」）においてのみ行われ得る。そして、これには高いコストが予想される。
ｂ）図１ｂおよび２に示されている配置において、図３ａおよび３ｂから図式的に明らかなように、ウエーハＷの前に配置された第２の収束レンズの後ろの所定の像面Ｅのために２つの収束レンズＬ１およびＬ２の効果により、色欠陥のための補正が与えられる。所望のエネルギーE₀より小さなエネルギーE₀−ΔE₀を有するビーム（図３に破線で示されている）は、マスクＭを電極として含むレンズＧ３およびＧ２＋Ｌ１内において、所望のエネルギー（実線で示されている）を有するビームよりも大きな程度まで偏向させられる。その結果、このビームは、前記所望のビームよりも軸から離れて、ウエーハＷの前に配置されたレンズＬ２に入る。したがって、このビームはその低いエネルギーにより光軸に関してもどるように大きく偏向させられ、その結果、ウエーハＷの前に配置された収束レンズＬ２の背後の所定距離のところで前記所望のビームと出会う。この面Ｅにおいて、１次の色欠陥は消滅する。残存デイストーションである２次の色欠陥はここでもまた残る。すなわち、所望のビームからのエネルギーの偏りの２乗に比例するデイストーションが残る。
図１ａに示されているような配置の場合において、ウエーハレンズＷＬは色欠陥を最小にするように用いることができる。
ｃ）３つの関連する面、すなわち、マスクＭのガウス像面、最小のデイストーションの面（図１および２）および最小の色欠陥の面（図３）は通常一致しない。しかしながら、レンズおよびイオン光軸上のイオン源の位置を適切に選ぶことにより、ビーム光路をほぼ平行に維持しながら、前記３つの面がレンズＬ２の出口のところで一致することが可能となる。もしウエーハＷが、この３つの面が一致するところに配置されるなら、これは、デイストーションおよび色欠陥の両方とも最小にする効果を持つ。
クロスオーバーを持つ上記のすべての実施例（図１ａ、図２および図６）において、可能な最高のエネルギーはクロスオーバーの位置で達成される。これは、いわゆる確率論的空間電荷効果が最小となる利点がある。クロスオーバーは、すべての場合に、レンズＬ２の前に電場のない空間に存在する。
確率論的な粒子の偏向は、たとえば、光学６９（１９８５、第１２６から１３４ページ）におけるエイ・バイデンハウゼン、スピアおよびエイチ・ローズによる論文「フォーカスされた粒子ビームにおける確率論的なレイの偏向」の中で議論されている。確率論的空間電荷効果は、像を投影するプロセス中に解像度の欠陥、すなわち、イオンの光学構成要素が達成し得る最大解像度の減少をもたらす。この影響の大きさは、他のことがらの中で、クロスオーバーでのエネルギーに依存し、これは実際、上記論文に次の式が示されている。
δ_X〜E^5/4
ここで、δ_Xは解像度の劣化を示し、Eはクロスオーバーでのイオンのエネルギーを示す。
以下の表は、図６に示されているような本発明によるイオンプロジェクション・リソグラフィー・システムの一実施例についての計算結果を示す。

上記の条件の下で、電位U₁とU₂を持つ１つのレンズの２つの電極間の電圧比は次のように理解されるべきである。
(U₂-U₀)/(U₁-U₀)
ここで、U₀は、荷電粒子の運動エネルギーがゼロに等しい位置での電位である。The lithography process is particularly important among the various processes that must be performed to produce semiconductor devices. Simply put, each lithographic process begins with the application of a thin sheet of photo-sensitive (or particle beam sensitive) material, particularly called a “resist”, in particular on a silicon wafer. A lithographic apparatus then projects the structure present on the mask in the form of one or several transparent spots onto the wafer provided with the resist. There, suitable optical elements are arranged between the mask and the wafer. The enlargement of the mask projection structure on the wafer is almost much smaller than the wafer. After this projection process, the wafer is repositioned and a mask with the same structure is projected onto different locations on the wafer. This projection and movement process is repeated many times until the entire surface of the wafer has been made. The resist is then developed, for example, to obtain a desired sample on the wafer in which a portion without resist is formed. The wafer can be subjected to any known process, such as etching, ion implantation or application, and doping material diffusion, in further steps. The wafer is checked after these further steps, coated again with resist, and finally the entire sequence of steps described above is approximately 10 until the same microcircuit in a chessboard-like arrangement is formed on the wafer. Repeated ~ 20 times.
Most projection lithography methods used today employ light to illuminate the resist, but there is a strong demand for smaller structures and higher densities of the microcircuit components, It leads to searching to find other illumination methods that are not limited as in the solution employing relatively long wavelength light. Great efforts have been made to use X-ray beams in lithographic apparatus. On the other hand, other methods, such as particle beam, especially ion beam lithography, have been considered to some extent but only a little.
A particle source, in particular an ion source, for forming an image of a structure arranged on the mask in the form of one or more holes by means of at least two focusing lenses provided between the mask and the wafer For an optical image projection system of a particle beam, preferably an ion, preferably for lithographic purposes, the following design has already been proposed in European patent application 938900586.6. That is, at least one focusing lens such as a so-called tripolar grating (grading) lens is provided, which includes two tube electrodes and a third electrode disposed between these electrodes. The third electrode is designed as a plate (plate) with a plurality of holes, preferably a grating (grating), this plate, in particular the grating being arranged perpendicular to the optical axis, so that this plate, That is, the lens is divided into two regions by the grating. Here, it is preferable that different voltages are supplied to the three electrodes. One of the lens areas of a triode grating lens having a grating as the central electrode can have a positive refractive power, and the second lens area can have a negative refractive power. Here, the absolute value of the refractive power of the lens region having a negative refractive power (dispersion region) is lower than that of the lens region having a positive refractive power (focusing region). In the case of this type of optical image projection system, if the distortion of the third order image in the dispersion region is larger than that in the focusing region, the difference in the absolute amount of the optical power is different. The distortion factor can be corrected to a considerable extent.
Thus, by using a tripole grating lens, it is possible in each case to eliminate the distortion coefficient of one image from the lens image equation. Here, it is also assumed that the distortion coefficient of the remaining image is also small compared to the electrostatic lenses known, for example, from European patent applications EP-89109553, EP-92291065, EP-9280181. This is achieved by introducing plate electrodes or rather grid electrodes. This is because this type of electrode makes it possible to make electrostatic divergent lenses. In addition, in an ion optical lithography system having a tripolar grating lens, the resulting distortion can be reduced at the minimum distortion position. Using a triode lens with a grating as the central electrode can further reduce the mask-to-wafer distance for known systems if the distortion values are related to the same image field size. it can. Eventually, the sharpness of this projection system is substantially increased. This is because a three-electrode lens with a grating as the central electrode in each case has only a very small image distortion, and therefore correction of the image distortion when the lens is located between the wafer and the mask. It is not so serious.
If the order of the diverging and converging lenses is reversed, i.e. if the electrodes designed as e.g. gratings form the first electrode of a dipole grating lens, e.g. in the form of a converging lens Gafield lens Essentially this effect is achieved if it continues. The terms “field lens” or “immersion lens” apply in this case to the arrangement of two coaxial, circularly symmetrical electrodes (eg tubular electrodes) arranged at different potentials. .
If, on the other hand, the grating holes and their spacing are kept very small (on the order of micrometers), the field strength on both sides of the grating in the area irradiated by the ion beam should be as close as possible. Thus, interference caused by plate holes or rather by grating holes can be avoided.
The problem with using a grid is that due to the fine holes and horizontal parts, the grid must be very thin and cover a relatively large area, and therefore very sensitive to damage, and consequently Regarding the manufacturing process, constant monitoring is required even during the use period of the lens. For this purpose, the grid has to be removed from the machine, cleaned and mounted again in the correct position. In each of these, there is a risk of being damaged and destroyed due to its fragility.
The object of the present invention is therefore to avoid this problem. To this end, the present invention proposes an optical image projection system for particle beams, in particular ions, preferably a system for lithographic purposes. The system comprises an image of a structure provided in the form of a particle source, in particular one or more transparent spots, in particular holes, on a mask foil, at least two electrostatic lenses arranged in the direction of the beam in front of the wafer And an ion source for forming on the wafer. Here, at least one of the lenses is a so-called lattice lens formed by one or two tube electrodes and a plate having a hole and disposed on the optical path of the beam. The plate is arranged perpendicular to the optical axis, and according to the invention, the plate is formed by a mask foil that forms the first electrode as seen in the intermediate electrode of the grating lens or in the beam direction. . In each case, the mask together with subsequent electrodes as seen in the direction of the ion beam forms a diverging lens such that the distortion of the three-dimensional image is corrected to a minimum residual value by the subsequent focusing lens.
By replacing a known design grid with a mask, only one of the elements provided, ie the mask itself, is required to have maximum accuracy during its manufacture or use. In all other embodiments, it should be manufactured with high accuracy as well, but other elements that should be manufactured with high accuracy are also omitted. In addition, the occurrence of defects that make these second elements unsuitable is prevented.
In another embodiment of the present invention, an ion optical image projection system in which a mask replaces the intermediate electrode of a triode grating lens may be used as another imaging element in the form of a field lens or an asymmetric single lens. A focusing lens. It is understood that the asymmetric single lens in this case is a tripolar lens provided so that all electrodes have different potentials. Asymmetric single lenses are used because they have a much smaller image distortion than a diverging lens with equivalent image projection characteristics.
In a triode grating lens whose intermediate electrode is currently a mask, the first region actually corresponds to the illumination lens for the mask, and the second region has its distortion on the beam path. This corresponds to a diverging lens (negative refractive power) that is corrected to a much greater extent by some subsequent lens.
In yet another embodiment, the mask forms the first electrode of a dipole grating lens. From this lens, a field lens follows the beam path, followed by an asymmetric single lens. In this case, the image distortion of the last lens before the wafer is corrected by the distortion of the diverging lens with the mask and by subsequent lenses.
Due to the fact that a mask is now placed where the grating is placed in the known design (European patent application 938900586.6), the grating plane is the object plane. The mask hole forms a perforated electrode lens (aperture lens) in order to play the role of a grating hole in a known design. However, since the mask is now an object to be imaged and an image will be formed in the image plane, according to the laws of optics, all particles emanating from one object point are Thus, small changes in the angle of the particles exiting the mask hole can be neglected to a considerable extent in the effect during imaging.
In yet another embodiment of this type of design according to the present invention, the mask forms the first electrode of a dipole grating lens and the point of intersection of the beam ("crossover") is the last lens before the wafer. It is placed in the front surface, that is, in the space between the field lens and the asymmetric single lens without an electric field in the beam direction. In yet another embodiment of the invention, a field lens can be provided that accelerates the ions to a sufficiently high energy so that the so-called stochastic space charge effect (see below) is minimized. In an asymmetric single lens, the energy of ions can be reduced to the energy required at the wafer location if necessary.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings by an exemplary method.
FIG. 1a is a simplified side view of the structure and beam path of a first embodiment ion lithography system according to the present invention having a crossover point and having distortion correction;
FIG. 1b is a similar view of the first embodiment without a crossover point;
FIG. 2 shows a second embodiment ion lithography system with distortion correction,
FIGS. 3a and 3b similarly show an ion lithography system of the type shown in FIGS. 1a and 1b and FIG. 2 with correction of color defects,
FIG. 4 is a longitudinal sectional view on the axis of a lens having three electrodes and a central electrode formed by a mask;
FIG. 5 is also a longitudinal sectional view on the axis of a combination of a converging lens as shown in FIG. 4 and another lens in the form of a field lens arranged in front of the wafer. ,
FIG. 6 is a simplified partial longitudinal sectional view of an ion projection apparatus having a dipole grating lens in which a mask forms a grating electrode;
FIG. 7 shows the progression of the color resolution distortion and the distortion depending on the wafer position for the arrangement according to FIG.
FIG. 8 is a view similar to that of FIG. 1b, with a correction lens on the front side of the wafer,
1 (a and b), the ion optical image projection system has an ion source Q for forming an image of a structure provided on a mask M on a wafer W. This structure exists by having at least one hole in the mask M. In the first embodiment, two electrodes are provided as the tube electrodes R1 and R2 shown in more detail in FIGS. 4 and 5, and a third electrode arranged between these tube electrodes R1 and R2 is provided. It is formed by a mask M. A mask M is arranged perpendicular to the optical axis of the imaging system and divides the lens into two regions P and N. Different potentials U1, U2 and U3 are applied to the three electrodes, ie the electrodes formed by the two tube electrodes R1, R2 and the mask M. In the drawing, the desired beam is indicated by 1 and the actual beam is indicated by 2.
In the example described, the lens region P has a positive refractive power and the lens region N has a negative refractive power. However, the absolute amount of refractive power of the lens region N having negative refractive power is smaller than that of the lens region P having positive refractive power so that the total refractive power of the tripolar lens G3 is positive. Yes.
Furthermore, from FIGS. 4 and 5, the tube electrode R2 in the lens region N having negative refractive power has a smaller diameter (almost half of the diameter) than the portion facing the mask of the tube electrode R1 in the lens region P having positive refractive power. Obviously, it has a size). Similarly, the voltage ratio (U3-U0) / (U2-U0) between the electrodes in the lens region N having negative refractive power is the voltage ratio (U3-U0) between the electrodes in the lens region P having positive refractive power. Less than (U0) / (U1-U0) (almost one third). Here, U0 is the potential at a position where the kinetic energy of the charged particles adopted is zero.
Serious efforts were made to give as much field strength as possible for each region illuminated by the ion beam on both sides of the mask M.
In a tripolar grating lens with a mask as a grating, the first area actually corresponds to the illumination lens for the mask, and the second area is a divergence whose distortion is corrected to a considerable extent by the subsequent focusing lens L2. Corresponds to a lens (negative refractive power). Due to the fact that in the known design (European patent application 938900586.6) the mask is arranged at the position where the grating is arranged, the grating plane is now the object plane. The holes in the mask effectively form the holes in the lattice. Here, the holes of this mask have the same effect as the perforated electrode lens of the holes of the lattice. However, as already mentioned, the mask M is the object to be imaged on the optical column. Here, the object is imaged on the image plane. According to the laws of optics, a small change in the angle of the particles exiting from the mask hole will cause all particles exiting from one objective point to converge on one image formation point, thus in effect when forming an image. It can be ignored to a great extent.
This description is applicable to the design of the second lens L2 both as an asymmetric single lens and as a field lens.
A mask having a structure to be imaged in the form of a hole formed in a foil (eg made of silicon) is illuminated by an ion source of very small virtual source size (approximately 10 μm) followed by an illumination device. Is done. The illuminator can have two multipoles and a mass separator disposed between the two multipoles, where a diagnosis system is used. The mask in the first embodiment has a positive refractive power as a whole and is arranged between the outer electrodes of the lens G3 composed of three electrodes R1, R2, and M.
In a special embodiment (FIG. 1a), the lens G3 creates a real image of the ion source behind the intersection area (crossover) C, ie behind its image-side focal point. The object-side focal point of the second focusing lens L2 disposed in front of the wafer W is disposed substantially at the position of the crossover C. In this way, all beams pass through the focusing lens L2 substantially parallel to the axis, resulting in a substantially telecentric imaging system. This has an advantage that the scale of image formation does not change in the direction of the ion optical axis when the deviation of the wafer W is small.
In another embodiment (FIG. 1b), this arrangement allows the mask image to be made without crossover. Telecentricity is lost when forming a reduced elephant. In this, very small angles (approximately 6 milliradians) are possible at the wafer. In order to recover the telecentric system, according to the present invention, a focusing lens WL can be provided directly in front of the wafer W (FIG. 8). By this means, the beam strikes the wafer in a state substantially parallel to the axis. According to the present invention, this focusing lens can be formed such that a single substantially tubular electrode is placed directly in front of the wafer and has a slightly different potential. This electrode, together with the wafer, forms a so-called wafer lens that has a plate, that is, the wafer itself, and thus functions as a diverging lens. This is the case when the potential of the electrode placed in front of the wafer is set so that ions are decelerated on the way to the wafer. In a specific design of a triode lens with a grating, the distance between the opposite ends of the tube electrodes R1, R2 reaches 135 mm. The electrode formed as the mask M is disposed at a distance of 90 mm from the outlet of the tube electrode R1. Here, the diameter of the outlet reaches 600 mm, and the diameter of the inlet of the tube electrode R2 reaches 300 mm. The outlet of the tube electrode R2 is 675 mm away from the electrode formed as the mask M, and the inlet of the tube electrode R1 is provided at 1350 mm in front of the mask forming the central electrode. At a distance of 585 mm from this outlet facing the mask M, the inner diameter of the tube electrode R1 decreases from 600 to 300 mm.
In the case of the deformation shown in FIG. 6, the mask M forms the first electrode of the divergent grating lens G2. This is followed by a converging lens L1, followed by a second converging lens L2 provided in front of the wafer surface of the beam optical path and formed as an asymmetric single lens. Since the potential of the last electrode of the lens is always the same as that of the first electrode of the following lens, these two electrodes are physically in each case, as also shown in FIG. It can be formed as a single electrode. Thus, the all-ion optical column between the mask and the wafer can be regarded as a single “multi-electrode lens”, in this case a pentapole lens with different refractive regions, ie G2, L1 and L2. Suitably, for example, an illumination lens (such as a lens not shown in FIG. 6) may be provided in front of the mask to reduce the distance between the source and the wafer.
When the mask M is arranged as shown in FIG. 6 with respect to the above-described tripolar lens forming the intermediate electrode, the field strengths in front of and behind the mask are different. A lens effect (flying eyes lens effect) occurs due to the holes in the mask. However, the effect of this mini lens is negligible because the intensity of the electric field at the mask surface facing the second electrode is very low and the object to be imaged is a mask. In order to avoid all vibrations that occur in the mask M due to the action that must be caused by the movement of the foil in the electric field, it is desirable that the field strength be low. This allows the mask M to be replaced and set immediately. The arrangement shown in FIG. 6 makes it possible to cast an image of the mask hole on the surface of the wafer W with a telecentricity better than 2 milliradians. This high telecentricity produces a sharpness of approximately 10 μm on the wafer W surface. Therefore, in this embodiment, even when the wafer changes its position on the optical axis, not only the scale and resolution of image formation are maintained, but also the distortion can be kept particularly small.
In the case of the concept shown in FIG. 6, the ion beam is 60 × 60 mm at an angle of less than 1.5 ° at the edge of the mask field (spread).²Colliding with the mask structure / field (spread) of Mask holes can be formed in a 3 μm thick silicon foil with a 3 ° bias. In this way, a line-like grid with a hole width of, for example, 0.45 μm can be achieved in a mask foil of 3 μm thickness without shadow distortion caused by the mask edge. The distance between the wafer W and the mask M is 2171.51 mm, for example, and the maximum diameter is 1180 mm.
The device according to the invention has the following characteristics irrespective of that of the embodiment.
a) If this arrangement has a crossover, the ray beam is generally of the pincushion type following the mask and / or by the converging lenses G3N (FIG. 1) and G2 and L1 (FIG. 2) including the mask. Experience residual distortion (area A). The cushion-type residual distortion changes after the crossover and becomes a barrel-type residual distortion (region B).
FIGS. 1a and 2 show that due to the distortion effect of the converging lens L2 arranged in front of the wafer W, the beam reduces the area B of the barrel distortion and the cushion adjacent to the area of the barrel distortion. An additional bias is created that creates a region A 'of distortion of the mold. Referring to FIG. 1b, in the case of an arrangement without crossover, the cushion-type distortion caused by the converging lens G3N is reduced by the lens L2, and finally becomes a barrel-type distortion (region B).
One surface is formed after the focusing lens L2 arranged in front of the wafer W. In this plane, the distortion caused by the lens placed between the mask and the wafer is corrected (minimum distortion plane). However, this applies only for third-order distortions, leaving smaller distortions on the fifth and sixth orders. As a result, distortion is not lost completely, but is only importantly kept to a minimum. Use of the wafer lens WL (see below) can contribute to further reducing distortion.
The dependence of the wafer position in the embodiment proposed in FIG. 6 on the residual distortion due to the deviation of the beam direction with respect to the desired position is practically the same as in the apparatus proposed in European patent application 938900586.6. As it progresses. Here, two tripolar grating lenses are used to form an image of the mask (FIG. 7). Further, the minimum value of distortion is smaller than that in the above-described application example. This results in a sharpness of approximately 10 μm with high telecentricity. This sharpness is substantially better than the sharpness obtained by conventional image forming methods using optical elements of light. For example, in the case of photolithography using high energy ultraviolet light (“deep ultraviolet”) during the manufacture of a 0.2 μm structure, the sharpness is likewise in the range of several tens of μm. In order to be able to make an integrated circuit with such a low definition, it is necessary to level the surface of the wafer when using optical optics, and this lithography is the top layer ("image to the top surface"). Can only be performed in the "formation"). And this is expected to be expensive.
b) In the arrangement shown in FIGS. 1b and 2, for a given image plane E behind the second converging lens arranged in front of the wafer W, as is diagrammatically clear from FIGS. 3a and 3b. The effect of the two converging lenses L1 and L2 provides a correction for color defects. Desired energy E₀Less energy E₀−ΔE₀Is deflected to a greater extent in the lenses G3 and G2 + L1 including the mask M as an electrode than the beam having the desired energy (shown in solid line). It is done. As a result, this beam enters the lens L2 disposed in front of the wafer W, farther from the axis than the desired beam. Therefore, this beam is largely deflected back with respect to the optical axis due to its low energy, and as a result, meets the desired beam at a predetermined distance behind the converging lens L2 arranged in front of the wafer W. In this plane E, the primary color defect disappears. The secondary color defects, which are residual distortion, remain here as well. That is, a distortion remains proportional to the square of the energy bias from the desired beam.
In the case of an arrangement as shown in FIG. 1a, the wafer lens WL can be used to minimize color defects.
c) The three related planes, the Gaussian image plane of the mask M, the minimum distortion plane (FIGS. 1 and 2) and the minimum color defect plane (FIG. 3) usually do not coincide. However, by appropriately selecting the position of the lens and the ion source on the ion optical axis, the three surfaces can coincide at the exit of the lens L2 while maintaining the beam optical path substantially parallel. If the wafer W is placed where the three faces coincide, this has the effect of minimizing both distortion and color defects.
In all the above embodiments with crossover (FIGS. 1a, 2 and 6), the highest possible energy is achieved at the position of the crossover. This has the advantage that the so-called stochastic space charge effect is minimized. In all cases, the crossover exists in a space without an electric field in front of the lens L2.
Probabilistic particle deflection is described, for example, in the article by A. Bidenhausen, Spear and H. Rose in Optics 69 (1985, pp. 126-134) “Probabilistic Ray Deflection in a Focused Particle Beam”. Is being discussed. The stochastic space charge effect results in a resolution defect during the process of projecting the image, i.e. the reduction in the maximum resolution that the optical component of the ion can achieve. The magnitude of this effect, among other things, depends on the energy at the crossover, which is actually shown in the above paper as:
δ_X~ E^5/4
Where δ_XIndicates the resolution degradation, and E indicates the ion energy at the crossover.
The following table shows the calculation results for one embodiment of an ion projection lithography system according to the present invention as shown in FIG.

Under the above conditions, the potential U₁And U₂The voltage ratio between the two electrodes of a single lens with should be understood as follows.
(U₂-U₀) / (U₁-U₀)
Where U₀Is the potential at a position where the kinetic energy of the charged particles is equal to zero.

Claims

Projecting an image having a particle source and provided in the form of one or more transparent spots on a mask foil onto a wafer by at least two electrostatic lenses arranged in the beam direction in front of the wafer a image projection system according to the particle beam, at least one of the lenses, one or two tubes electrodes (R _1, R ₂₎ and has a hole, formed by the plate positioned on the beam optical path A grating lens , wherein the plate is arranged perpendicular to the optical axis (D), the plate forming a first or intermediate electrode in the direction of the particle beam in the grating lens An image projection system using a particle beam, characterized by being formed by night (M) .

Further, a lens is disposed on the beam optical path between the mask and the wafer, and this lens is composed of a tube-shaped electrode and a plate, which is formed by the wafer, and the tube-shaped electrode is located immediately before the wafer. The image projection system according to claim 1.

3. The image according to claim 1, wherein the mask is an intermediate electrode of a triode lattice lens, and the second lens is formed as an immersion lens between the mask and the wafer. Projection system.

The image projection system according to claim 1, wherein the mask is an intermediate electrode of a tripolar lattice lens, and the second lens is formed as an asymmetric single lens between the mask and the wafer.

The mask is a first electrode of a dipole grating lens, followed by a second lens formed as a dipole immersion lens, and a third and last lens comprising a mask and a wafer. The image projection system according to claim 1 , wherein the image projection system is formed as an asymmetric single lens.

6. The image projection system according to claim 1, wherein the ion crossover point is located in a space without an electric field.

The image projection system according to claim 6 , wherein the energy of ions in the region of the crossover point is higher than that on the wafer.

5. An image projection system according to claim 1 , wherein the beam optical path between the mask and the wafer has no crossover point.